一种用于距离探测的巨磁阻抗传感器装置及信号处理方法
【专利摘要】一种用于距离探测的巨磁阻抗传感器装置，该装置包括激励电路、敏感组件、前置放大电路、混频滤波电路、末级放大电路、模/数转换电路、反馈电路和微处理器，通过提取信号的基频和谐波分量，滤除噪声和干扰，提高了传感器的测量精度；同时设计方案容易集成，便于实现传感器的小型化，提高可靠性，降低生产成本。一种基于巨磁阻抗传感器装置的信号处理方法，利用信号基频与谐波分量建立信号处理模型，通过测量任一点目标的信号特征，反演计算得到该目标相对传感器的距离。利用信号基频与二次谐波分量及其多特征信息，克服了只利用线性区的不足，提高测量精度的同时大大拓展了传感器的测量范围。
【专利说明】-种用于距离探测的巨磁阻抗传感器装置及信号处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种巨磁阻抗传感器装置及其信号处理方法，特别涉及一种用于距离 探测的巨磁阻抗传感器装置及其信号处理方法。
【背景技术】
[0002] 磁性是物体固有的属性之一，磁传感器被广泛用于信号记录、航空航天、探矿、考 古、智能交通、空间磁场探测、探潜探雷等领域。由于地磁场普遍存在，置于其中的铁磁性物 体会被地磁场磁化而产生磁场，并且不受气候变化的影响。各种装甲车辆、飞机、舰船、潜艇 等大型装备，也会被地磁场磁化而具有一定的磁性。当这些磁性物体出现在某一区域时，就 会引起周围磁场的变化。磁异探测就是基于对这种磁场异常变化的探测，它是探矿、安检、 地震监测等的重要依据，在军事领域也有重要应用，例如舰船潜艇装甲车辆等的探测、智能 地雷和水雷的磁引信、地磁导航等。随着现代隐身技术、各种攻击武器技术带来的挑战，以 及无源探测技术和磁传感器技术的不断发展，磁探测已经成为一种重要的目标探测手段。
[0003] 国内目前对于巨磁阻抗传感器的研究主要有三个方面：一是探究巨磁阻抗效应的 本质并建立其理论模型；二是研究非晶材料、尺寸、工艺处理等对巨磁阻抗效应的影响以及 增强巨磁阻抗效应的途径；三是巨磁阻抗传感器的设计与应用。已有的研究成果主要集 中在前两个方面，尽管在巨磁阻抗传感器设计与应用方面也有一些研究，但本质上大都是 基于信号简单的幅值信息进行研究的，从而导致了传感器硬件电路设计的单一化和信号处 理算法的简单化，并且目前的研究大多局限于仿真，与工程实现还有较大差别。早在2006 年日本研制的巨磁阻抗传感器就已经产品化，但到目前我国还没有成熟的类似产品。根据 《IEEE Transaction on Magnetics》2013年第49卷第1期，国外美、日研制的巨磁阻抗传 感器的精度已经达到了 InT，然而由于西方对我国的技术封锁等原因，国内对GMI传感器的 研究还处于起步阶段，其精度仅有IOOOnT左右。
[0004] 一般而言，GMI传感器的硬件部分包括激励电路、敏感元件和信号处理电路三大部 分。实际的传感器设计中，由于采用的激励方法和信号处理方法的差异，使得传感器的实际 电路不尽相同，甚至有很大的差异。《Applied Physics》2008年第90卷"One-dimensional AGMI sensor with Co66Fe4Si15B15 ribbon as sensing element，'、《传感技术学报》2011 年 第2期"基于非晶合金非对称巨磁阻抗效应的磁传感器设计"给出的设计方案中，信号处 理电路由放大电路、检波电路、滤波电路、基准电路和反馈电路组成，其中用检波电路提取 输出信号的幅值信息，用基准电路以调整传感器的测量范围，用反馈电路以改善传感器输 出的线性度。这样的设计方案简单易行，并且成本低，在一定程度上有利于传感器的微型 化。《IEEE Sensors Journal》2011 年第 11 卷第 10 期"Differential-Type GMI Magnetic Sensor Based on Longitudinal Excitation，'，〈〈IEEE Transactions on Magnetics)) 2012 年第 48 卷第 4 期"Dependence of Giant Magnetoimpedance on the Electron Irradiation for Sensor Design"提出了另一种设计方案，与前一种方案最大的不同在于 信号处理电路采用的是相干解调，虽然其性能优于包络检波，但本质上提取的仍然是信号 的幅度信息，采用的信号处理模型仍然仅仅利用的是传感器输出信号的幅值变化率，并基 于该曲线的近似线性区域对传感器进行标定，使得传感器的量程范围很小。无论这两种方 案的哪一种，都不利于传感器性能的提高，特别是在目标探测领域，这是因为：第一，利用巨 磁阻抗传感器特性曲线建模时，传感器的探测范围被限制在了线性区域，特征曲线的非线 性部分没有充分利用，不利于传感器量程的拓展；第二，大多利用最小二乘的方法建立特性 曲线线性区域的模型，传感器的测量精度还有待提高。因此，尽可能拓展传感器的测量范 围，同时提高目标探测的精度，是目标探测巨磁阻抗传感器设计的基本要求。
[0005] 另外，在巨磁阻抗传感器信号处理方面的研究还很少，尤其是在巨磁阻抗传感器 输出信号的多特征提取及变化规律的深入分析方面更少。《国防科技大学学报》2012年第4 期的论文"非晶丝GMI磁传感器信号的小波分析"和2013年第1期的论文"自适应LMS和 相关算法在GMI磁传感器信号检测中的应用"中直接对传感器的输出信号进行放大、低通滤 波和采样处理，进而进行小波分析，文中以信号小波分解后的第三层尺度系数作为后续处 理的依据，但文中给出的仿真结果并没有达到理想的精度，说明文中提出的信号处理方法 还有待改进。实际上，其主要问题在于低通滤波器的应用不合理，一方面低通滤波在滤除噪 声的同时也滤除了信号本身的各次谐波信息，另一方面滤波器也会影响信号的相位，由于 通过低通滤波器后的信号频率成分比较单一，因此即便通过小波分析也难以提取除了幅度 之外的更多的有用信息。
[0006] 目前，以磁场测量为手段的目标探测方面的研究已经有了一些理论成果，例如海 军工程大学包中华研究了基于水下电磁场的舰船目标远程探测方法，庞学亮等研究了远距 离飞机目标的探测方法，对磁性目标探测进行了理论研究；装甲兵工程学院的费保俊、陈正 宏等对坦克的外部磁场建模进行了相关研究。但有关巨磁阻抗传感器在目标探测领域尤其 是军事目标探测领域的工程应用研究还未见诸报道。
[0007] 综上所述，目前巨磁阻抗传感器的设计方案主要有以下不足：
[0008] (1)通过硬件电路直接提取传感器输出信号的基频分量幅度信息，忽略了信号谐 波分量以及其他信号特征，不利于测量精度的提高和测量范围的拓展；
[0009] (2)设计方案的重点是硬件处理电路，软件算法比较简单，限制了其在某些精度要 求高、动态范围大等场合的应用。
[0010] 上述的不足限制了巨磁阻抗传感器在目标探测中的应用。
【发明内容】
[0011] 为了克服前述巨磁阻抗传感器的设计方面存在的不足，本发明提供一种用于距离 探测的巨磁阻抗传感器装置，该装置包括激励电路、敏感组件、前置放大电路、混频滤波电 路、末级放大电路、模/数转换电路、反馈电路和微处理器。其中：
[0012] 激励电路：用于产生高频交流激励信号和混频滤波模块所需的基准信号；
[0013] 敏感组件：包括非晶丝、激励线圈和信号线圈，激励线圈输入端与激励电路的激励 信号输出端电连接，激励信号通过激励线圈施加到非晶丝上，非晶丝产生巨磁阻抗效应，信 号线圈用于拾取巨磁阻抗效应产生的信号并输出，信号线圈的输出端与前置放大器的输入 端电连接；
[0014] 前置放大电路：用于对信号线圈的输出信号进行放大并抑制噪声，其输入、输出分 别与信号线圈输出端、混频滤波电路输入端电连接；
[0015] 混频滤波电路，用于对前置放大电路的输出信号进行降低频率、提取信号中的基 频和谐波分量，并滤波带外噪声，其信号输入、输出分别与前置放大电路输出端、末级放大 电路输入端电连接，其混频基准信号输入端与激励电路相应信号输出端电连接；
[0016] 末级放大电路：用于将信号放大到适合模/数转换的范围，从而降低信号的量化 噪声，其输入、输出分别与混频滤波电路输出端、模/数转换电路输入端电连接；
[0017] 模/数转换电路：用于将模拟信号转换为数字信号，其输入、输出分别与末级放大 电路输出端、微处理器输入端电连接；
[0018] 微处理器：用于接收模/数转换电路输出的数字信号，根据预先建立的信号处理 模型进行信号处理和传输；
[0019] 反馈电路：用于将末级放大电路的输出信号反馈至激励电路，以改善传感器的线 性度和温度稳定性，其输入、输出分别与末级放大电路输出端、激励电路输入端电连接。
[0020] 所述混频电路最好包括两级混频电路和两级滤波器电路，所述前置放大电路的输 出与第一级混频电路的输入电连接，经第一级混频电路输出的差频与和频信号通过第一级 滤波电路得到差频信号，然后输入到第二级混频电路，经第二级混频电路混频再通过第二 级滤波电路得到差频信号，最后送到末级放大电路。所述激励电路产生的激励信号频率为 f〇,第一级混频电路中采用1. 54作为基准信号，通过低通滤波器，同时提取出传感器输出 信号的基频与二次谐波信息；第二级混频中采用〇. 5&-10KHZ作为基准信号，再经过低通滤 波器，从而得到中心频率为IOKHz的输出信号，便于直接进行模/数转换。采集的巨磁阻抗 传感器信号通过上述混频电路调理后，信号进行了放大，同时仅保留了感兴趣的信号成分， 并且通过模/数转换电路转换成了数字信号，这就为利用不同的软件算法进行特征提取和 计算提供了方便。
[0021] 本发明还提供了一种基于上述巨磁阻抗传感器装置的信号处理方法，利用信号基 频与二次谐波分量建立信号处理模型，通过测量任一点目标的信号特征，反演计算得到该 目标相对传感器的距离。
[0022] 本发明提供的巨磁阻抗传感器装置，通过提取信号的基频和谐波分量，滤除噪声 和干扰，提高了测量精度。
[0023] 本发明提供的信号处理方法，利用信号基频与二次谐波分量及其多特征信息，克 服了只利用线性区的不足，大大拓展了传感器的测量范围。
[0024] 本发明提供的巨磁阻抗传感器装置采用微处理器有利于实现传感器组网，通过多 传感器数据融合进一步提高测量精度和拓展测量范围。
[0025] 本发明提供的巨磁阻抗传感器装置设计方案容易集成，实现传感器的小型化，提 高可靠性，降低生产成本。
[0026] 本发明提供的巨磁阻抗传感器装置也能够用于探矿、智能交通和磁引信等技术领 域。
【专利附图】
【附图说明】
[0027] 为了更好地理解本发明，下面结合附图作进一步的说明。
[0028] 图1巨磁阻抗传感器装置硬件原理图；
[0029] 图2巨磁阻抗传感器装置混频滤波电路原理及信号连接图；
[0030] 图3敏感组件结构示意图；
[0031] 图4仅提取基频幅值与同时提取基频、二次谐波幅值的变化率曲线；
[0032] 图5幅值变化率曲线拟合结果（右半部分）。
【具体实施方式】
[0033] 下面通过实施例对本发明作进一步详细说明。
[0034] 巨磁阻抗传感器装置硬件原理图如图1所示。
[0035] 激励电路，用于产生高频交流激励信号和混频滤波模块所需的基准信号，可采用 多谐振荡器或晶振电路。传统的单一频率激励方式可以用于本发明的装置中，或者其他形 式的多频激励电路、可程控激励电路等也可用于本发明的装置中。
[0036] 敏感组件结构如图3所示，包括非晶丝1、激励线圈2和信号线圈3,激励线圈2输 入端与激励电路的激励信号输出端电连接，激励信号通过激励线圈2施加到非晶丝1上，非 晶丝1产生巨磁阻抗效应，信号线圈3用于拾取巨磁阻抗效应产生的信号并输出，信号线圈 3的输出端与前置放大器的输入端电连接；非晶丝1、激励线圈2和信号线圈3,激励信号通 过激励线圈2施加到非晶丝1上，产生巨磁阻抗效应，信号线圈3用于感应巨磁阻抗效应产 生的输出信号；
[0037] 所述前置放大电路包放大器和外接电阻，信号线圈感应的输出信号送到放大器输 入端，放大器的增益通过外接电阻来调节。其主要是为了抑制噪声，并使携带有用信息的信 号通过，因此对带宽和噪声抑制有较高的要求。非晶丝信号线圈直接输出的信号比较小，同 时为了减少噪声影响，需要经过前置放大器放大后再进行后续处理；基于多频激励条件下， 非晶丝输出信号的带宽比较宽，同时还要保留必要的谐波分量，因此需要该前置放大器不 仅具有足够的带宽和对噪声具有良好的抑制能力，增益还要尽可能地高。
[0038] 因此，可以选择性能优异的仪用放大器。例如，可以选用高速、低噪声的THS4021
【权利要求】
1. 一种巨磁阻抗传感器装置，包括激励电路、敏感组件、前置放大电路、混频滤波电路、 末级放大电路、模/数转换电路、反馈电路和微处理器； 激励电路：用于产生高频交流激励信号和混频滤波模块所需的基准信号； 敏感组件：包括非晶丝（1)、激励线圈（2)和信号线圈（3)，激励线圈（2)输入端与激 励电路的激励信号输出端电连接，激励信号通过激励线圈（2)施加到非晶丝（1)上，非晶丝 (1)产生巨磁阻抗效应，信号线圈（3)用于拾取巨磁阻抗效应产生的信号并输出，信号线圈 (3)的输出端与前置放大器的输入端电连接； 前置放大电路：用于对信号线圈（3)的输出信号进行放大并抑制噪声，其输入、输出分 别与信号线圈（3)输出端、混频滤波电路输入端电连接； 末级放大电路：用于将信号放大到适合模/数转换的范围，从而降低信号的量化噪声， 其输入、输出分别与混频滤波电路输出端、模/数转换电路输入端电连接； 模/数转换电路：用于将模拟信号转换为数字信号，其输入、输出分别与末级放大电路 输出端、微处理器输入端电连接； 微处理器：用于接收模/数转换电路输出的数字信号，根据预先建立的信号处理模型 进行信号处理和传输； 反馈电路：用于将末级放大电路的输出信号反馈至激励电路，以改善传感器的线性度 和温度稳定性，其输入、输出分别与末级放大电路输出端、激励电路输入端电连接； 其特征在于：所述的混频滤波电路，用于对前置放大电路的输出信号进行降低频率、提 取信号中的基频和谐波分量，并滤除带外噪声，其信号输入、输出分别与前置放大电路输出 端、末级放大电路输入端电连接，其混频基准信号输入端与激励电路相应信号输出端电连 接。
2. 根据权利要求1所述的一种巨磁阻抗传感器装置，其特征在于：所述混频滤波电路 包括第一级混频电路、第一级滤波电路、第二级混频电路和第二级滤波电路，所述前置放大 电路的输出与第一级混频电路的输入电连接，经第一级混频电路输出的信号通过第一级滤 波电路得到差频信号，然后输入到第二级混频电路，经第二级混频电路混频再通过第二级 滤波电路得到差频信号，第二级滤波电路的输出与所述的末级放大电路的输入端电连接。
3. 根据权利要求2所述的一种巨磁阻抗传感器装置，其特征在于：所述第一级混频电 路和第二级混频电路均采用模拟乘法器芯片MC1596实现。
4. 根据权利要求2所述的一种巨磁阻抗传感器装置，其特征在于：所述激励电路产生 的激励信号频率为f〇,第一级混频电路基准信号频率为1. ，第二级混频电路基准信号频 率为0. SfflOKHz ;第一级滤波电路是截止频率为0. < fn < 2. 的低通滤波电路，通 过第一级混频电路和第一级滤波电路，同时提取出信号的基频与二次谐波分量；第二级滤 波电路是截止频率为15KHz的低通滤波电路，通过第二级混频电路和第二级滤波电路，得 到中心频率为lOKHz的输出信号，便于直接进行模/数转换。
5. 根据权利要求4所述的一种巨磁阻抗传感器装置，其特征在于：所述激励信号的频 率4为10MHz，第一级混频电路的基准信号频率为15MHz，第二级混频电路的基准信号频率 为 4. 99MHz。
6. 根据权利要求1-5任一项所述的一种巨磁阻抗传感器装置，其特征在于：所述激励 电路可采用多谐振荡器或晶振电路。
7. 根据权利要求1-5任一项所述的一种巨磁阻抗传感器装置，其特征在于：所述前置 放大电路包括运算放大器和外围器件，运算放大器芯片采用THS4021，放大器的增益通过外 接电阻来调节。
8. 根据权利要求1-5任一项所述的一种巨磁阻抗传感器装置，其特征在于：所述末级 放大器采用两级级联方式，第一级为电压反馈高速放大器，采用的芯片为0PA820,第二级为 电流反馈运算放大器，采用的芯片为THS3091。
9. 根据权利要求1-5任一项所述的一种巨磁阻抗传感器装置，其特征在于：所述的模/ 数转换电路采用专门的模/数转换芯片或采用集成模/数转换功能的嵌入式微处理器。
10. 根据权利要求1-5任一项所述的一种巨磁阻抗传感器信号处理方法，利用信号基 频与二次谐波分量建立信号处理模型，通过测量任一点目标的信号特征，反演计算得到该 目标相对传感器的距离。
【文档编号】G01V3/10GK104391331SQ201410718209
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年12月2日 优先权日:2014年12月2日
【发明者】段修生, 单甘霖, 杨青, 肖晶 申请人:中国人民解放军军械工程学院